Nanobiotecnologia: presente, passado e futuro

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Nanobiotecnologia:

presente, passado e futuro

Prof. Dr. Vinicius Campos

Disciplina de Nanobiotecnologia 2013 Graduação em Biotecnologia - UFPel

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1. O que é Nanotecnologia? 1. Histórico da Nanotecnologia 2. Divisão da nanotecnologia 3. Nanobiotecnologia 4. Funcionalização de nanoestruturas 4. Biossegurança de nanoestruturas

Abordagens da aula...

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1 nano = 10-9 _{= 0,000000001 = 1 bilionésimo}

1 giga = 109 _{= 1.000.000.000 = 1 bilhão}

Ex: 1 nanometro = 1 bilionésimo do metro 1 metro = 1 bilhão de nanometros

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106_km _{1 m} _{1 nm}

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TAMANHO TEMPO

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Histórico da Nanotecnologia

1856

Borracha reforçada com nanopartículas de negro de

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Histórico da Nanotecnologia

A Taça de Lycurgus - século IV d. C. – Império Romano

Iluminada pelo lado de fora

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Histórico da Nanotecnologia

Iluminada pelo lado de dentro

Partículas nanométricas de ouro (70 nm) dispersas no interior do vidro (40 ppm) produzem uma absorção de luz em torno do

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Histórico da Nanotecnologia

Sugeriu o arranjo de átomos de acordo com a necessidade considerado o pai da nanotecnologia

Richard Feynman, 1959. * Prêmio Nobel de Física de 1965

Conferência de Richard Feynman* na

Reunião da Sociedade Americana de Física em 29 de dezembro de 1959:

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• O segundo prêmio foi pago em novembro de 1960 a William McLellan, que construiu

um motor de 250 microgramas de peso que girava a 2000 rpm;

• O primeiro foi concedido somente em 1985 a Tom Newman, aluno de pós-graduação de

Stanford, que reduziu a primeira página do livro “A tale of two cities” de Dickens.

Histórico da Nanotecnologia

“Porque não podemos escrever os 24 volumes da Enciclopédia Britânica na cabeça de um alfinete”?

“...É minha intenção oferecer um prêmio de US$1.000 para a primeira pessoa que conseguir colocar a informação de uma

página de livro em uma área 1/25.000 menor de forma que possa ser lida em um microscópio eletrônico…”

“… Eu quero oferecer outro prêmio de US$1.000 que fizer um motor elétrico que tenha o tamanho de 1/64 de polegada”…

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• 1959 – Famosa conferência de Richard Feynman na Reunião da Sociedade Americana de Física.

• 1974 – N. Taniguchi cunha pela primeira vez o termo “nanotecnologia” para o campo da Engenharia em escala sub-micrométrica.

• 1981 – G. Binnig e H. Rohrer desenvolvem o microscópio eletrônico de tunelamento (STM).

• 1985 – Descoberta dos fulerenos por R. Curl, H. Kroto e R. Smalley. • 1989 – Descoberta dos nanotubos de carbono, por S. Iijima, no Japão. • 1997 – É criada a primeira empresa de nanotecnologia, a Zyvex.

• 2001 – C. Dekker, biofísico holandês, demonstra que os nanotubos podem ser usados como transistores.

• 2004 – A. Geim e K. Novoselov obtém uma camada monoatômica de grafite, denominada grafeno.

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• A nanotecnologia é um conjunto de técnicas usadas para manipular a matéria na escala de átomos e moléculas – 1 a 100 nm

• Nano é uma medida e não uma tecnologia

• A chave para a nanotecnologia é que em

nanoescala a propriedade dos materiais pode mudar drasticamente – efeitos quânticos

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Abaixo de 100 nm as propriedades físicas e químicas mudam

• Aumento da área superficial = maior reatividade. Ex.: maior penetração em células

• Novas propriedades óticas, elétricas e magnéticas

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• Carbono na forma de grafite (lápis) é macio e maleável; em nanoescala pode ser mais

resistente que o aço e seis vezes mais leve

Nanoestruturas

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• O óxido de zinco é normalmente branco e opaco; em nanoescala ele se torna ele se torna transparente;

Nanoestruturas

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• O alumínio em nanoescala pode entrar em combustão espontânesa e pode ser utilizado como combustível para foguetes

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SUPLEMENTOS ALIMENTARES nano/micropartículas para melhor absorção intestinal. VITAMINAS EM SPRAY nanogotas para melhor absorção nasal. CHOCOLATE em nanopartículas para melhor textura

Alimentos nanoestruturados

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Duas abordagens diferentes:

Top-down : redução das dimensões dos dispositivos  miniaturização

Abordagem “física”

Bottom-up : montar estruturas a partir de moléculas 

replicando a Natureza Abordagem “química”

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Nanotecnologia Biologia Engenharias Química Ciência dos materiais Informática Física Biotecnologia Medicina

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• Pode ser dividida em três grandes áreas:

– Nanoeletrônica – Nanomateriais

– Nanobiotecnologia

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Nanoeletrônica

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Nanoeletrônica

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Nanoeletrônica

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• Área da nanotecnologia que busca controlar a morfologia dos materiais em escala nano;

• Instrumentos de medição e manipulação

• Microscópio de força atômica

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1.5 m

nanotubos de carbono

Imagens obtidas por

Microscopia de Força Atômica (AFM)

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Quando aplicada às ciências da vida recebe o nome de Nanobiotecnologia

Formas variadas aplicadas a Industria Farmacêutica e Médica

Emulsões múltiplas e inversas, Micro e nanogéis,

Nanopartículas poliméricas biodegradáveis, Nanopartículas lipídicas sólidas,

Lipossomas, Quantum dots Nanotubos

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1. Nanotubos

2. Nanopartículas

3. Nanopolímeros

4. Quantum dots/pontos quânticos

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Nanotubos naturalmente formados

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• Transfecção de ácidos nucléicos – DNA

– RNA – RNAi

• Entrega de fármacos/Drug delivery – Nanoantibióticos

– Nanovacinas

– Nanoanticorpos

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• Nanocápsulas

• Nanopartículas magnéticas • Nanopartículas poliméricas • Lipossomos

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Lipossoma Nanopartículas Poliméricas Nanopartículas Metálicas/Magnéticas Nanopartículas Lipídicas Sólidas Nanoemulsões

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• Entrega de ácidos nucléicos

• Drug delivery

• Nanoencapsulamento de fármacos

– Liberação controlada de fármacos

• Diagnóstico de donças

• Nanocosméticos

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• Conforto para o paciente

– Administrações mais espaçadas – Menos efeitos colaterais

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d

• Econômicas

– Doses mais baixas de fármaco

– Ressuscita medicamentos descartados pela toxicidez

– Aumenta o tempo de patente do medicamento – P & D com menor custo X novas moléculas

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d

– Possível toxicidez dos polímeros e seus produtos

– Dependendo do polímero, custo mais elevado que medicamento convencional

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Uso de Nanocosméticos

• Partículas metálicas para aumento de brilho em maquiagens; • Nanoemulsões para cabelos mais hidratantes;

• Proteção de ativos contra a degradação, (encapsulamento da

vitamina C);

• Liberação em camadas mais profundas da pele de ativos

anti-rugas;

• Melhoria da textura do creme e formação de um filme mais

eficiente de protetores solar, (nanopartículas de dióxido de zinco).

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• Nanopolímeros catiônicos

• Nanopolimeros – dendrímeros

Nanopolímeros

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• Transfecção de ácidos nucleicos

• Drug delivery

• Scaffolds

– Células tronco

Aplicações dos Nanopolímeros

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Funcionalização

Este processo trata das alterações nas propriedades eletrônicas e estruturais das

nanoestruturas. Neste caso, átomos ou

moléculas podem ser adsorvidos ou ligados às nanoestruturas, alterando, de alguma forma, as propriedades originais, acrescentando com novas

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• Se as nanopartículas entram nas células, quais seus efeitos fisiológicos nos tecidos?

• As nanopartículas poderiam ganhar acesso à circulação sistêmica a partir do contato com a pele? Isso seria relevante para

medicamentos e cosméticos?

• Qual o efeito de terapias usando nanotubos?

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1. 1959 – início da nanotecnologia 2. Efeito quântico 3. Botton-up/Top-down 4. Ciência multidisciplinar 5. Nanoeletrônica/Nanomateriais/Nanobiotecnologia 6. Nanotubos/Nanopartículas/Nanopolímeros/Pontos-quânticos 7. Funcionalização 8. Biossegurança 9. Nanorrobótica

Revisando...

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Prof. Dr. Vinicius Farias Campos Graduação em Biotecnologia